上海城市景观格局演变及其生态安全影响研究

【摘要】： 快速城市化进程中剧烈的土地利用／覆盖变化造成土地资源的不合理利用，导致了空气污染蔓延、城市热岛效应加剧、水环境恶化、地面沉降加重和生物多样性丧失等生态环境问题，对高密度城市人群的生存环境和身体健康产生显著胁迫，直接影响了区域的生态安全状况和可持续发展，由此对日益加剧的城市土地利用／覆盖变化及其生态安全响应的研究迫在眉睫。作为中国人口最密集、经济发展最快的城市，上海市土地利用及景观格局在改革开放尤其是浦东开发以来出现了前所未有的巨大变化，因此，本论文选择上海地区作为研究对象，利用遥感和地理信息系统以及空间统计和相关统计分析方法，从城市土地利用／覆盖变化入手，根据研究区域内存在的实际生态环境问题，研究上海城市景观格局的演变及其对城市空气环境、热环境和水环境等方面的影响，综合评价了上海地区近年来的生态安全状况与趋势，借助景观生态学理论和思路，构建上海市区域景观生态安全格局，并针对土地利用空间布局等提出相关调整建议。 论文首先对上海城市土地利用变化及其景观格局进行了分析，根据对1997年和2004年两个时段遥感影像的解译、制图和动态分析，发现上海地区城市形态发生了剧烈的变化，城市建设用地形态结构更加复杂，且沿着城市扩展轴和主要交通干线向外辐射延伸，使得整个区域城市网络体系发育得更为完善。采用多项景观格局指数进行的土地利用景观格局分析发现，在景观水平上，城镇建设用地面积显著增加，植被面积保持稳定，水系面积有所减少，景观多样性呈增加趋势；而在景观类型水平上，城镇建设用地、植被和水系的斑块数量、斑块密度都显著增加，景观聚集度指数降低，表明城市景观破碎化程度加剧且城市景观斑块呈现规模小而分割的状态；景观形状指数出现明显的增加趋势，表明城市景观斑块形状趋于不规则化和复杂化。 基于上海城市土地利用变化及景观格局的分析，本论文从三个方面探讨了城市景观格局变化与生态环境效应之间的相互关系。首先在分析上海城市景观格局对空气环境的潜在影响中，对主要城市空气污染物分布格局进行了时空特征差异比较，发现NO_2和SO_2年均浓度在近年呈较明显上升趋势，而PM_(10)和大气降尘的年均浓度则有所下降。对1997-2004年间空气污染状况与城市居民疾病死亡进行的Spearman相关分析显示，NO_x与循环系病、泌尿生殖系病死亡率之间有显著正相关，SO_2与神经系病、传染病及寄生虫病死亡率之间分别有较显著正相关和显著负相关，TSP与循环系病死亡率之间有较显著正相关。构建城市发展综合指标UDI与城市气候指标进行相关回归分析发现，城市气候指标与城市发展综合指标之间相关性显著，并表现为随着城市化过程推进先稳步升高后下降的一致规律。而城市发展综合指数与城市居民疾病年死亡率的相关性分析表明，上海城市化进程对居民疾病包括呼吸系病、肿瘤、精神病、传染病及寄生虫病、内分泌免疫代谢病和神经系病死亡率影响显著。 其次，在对上海城市景观格局与热环境效应的研究中，根据对遥感影像数据的地表温度反演，得到1997年和2004年两时段的上海市热环境空间分布格局。对上海城市热环境分布格局的空间自相关分析、变异函数分析以及分形分析表明：城市热岛空间自相关程度比1997年有显著增强，且城市热岛斑块自相关尺度有明显增加；城市热岛空间分布格局具有中等空间相关性，表明城市热岛空间分布除受到结构性控制因素影响外，由随机因素引起的空间异质性也占了较大的比重，随机因素主要体现在1km以下的小尺度上。在探讨城市热岛空间分布格局的影响因素时发现，城市人口密度分布与城市热岛之间存在显著正相关关系；构建的土地覆盖指数NDVI和NDWI与地表温度之间表现为二元抛物线式显著负相关性，NDBI与地表温度之间表现为一元线性显著正相关性，NDBaI与地表温度之间呈二元上抛物线较显著正相关性。 再者，对上海城市景观格局及其水环境响应的分析中，针对黄浦江干流水质监测断面周围3000m为半径形成的缓冲区样带，进行了土地利用结构特征的辨识，同时构建有机污染综合指数对黄浦江干流主要监测断面进行水质评价。对水环境质量变化与周围土地利用结构之间的相关性分析发现，黄浦江干流主要断面的水体有机污染综合指数与缓冲区样带内林地和绿地所占面积比例呈显著负相关性。对上海市主要河流湖泊水质变化趋势分析显示，淀山湖水质状况明显恶化，黄浦江干流水质保持缓慢改善趋势，而苏州河水质虽表现较为显著的改善，但污染指数在近年有回升趋势。 最后，在上海城市生态安全状况分析中，运用因子分析方法筛选出资源支持系统因子和产业环境系统因子，构建区域生态安全度指标ESDI，对1997至2004年的生态安全状况进行了综合评价，发现上海市区域生态安全状况有所好转，尤其是在2003年后生态安全指数出现转折性提高和2004年生态安全指数出现大幅度上升。在景观生态安全格局研究中，基于上海市自然基础条件和区域景观格局现状，对上海市自然及社会经济发展生态要素的空间分布特征进行了辨识，构建了由生态源、生态廊道、生态斑和生态楔组成的上海地区城乡一体化景观生态安全格局，并提出针对城市生态安全控制与改善进行的城市土地利用结构调整和城市人口布局、发展新城等功能格局调整的具体措施。